DE112017005609B4

DE112017005609B4 - System zur algenproduktion aus menschlichen stoffwechselabfällen durch beschattung und zur energieerzeugung

Info

Publication number: DE112017005609B4
Application number: DE112017005609.8T
Authority: DE
Inventors: Mahmut Altinbas
Original assignee: Istanbul Teknik Universitesi ITU
Current assignee: Istanbul Teknik Universitesi ITU
Priority date: 2016-11-07
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: DE112017005609T5; WO2018236301A3; TR201615872A1; WO2018236301A2

Abstract

System zur Algenproduktion aus menschlichen Stoffwechselabfällen und Energieerzeugung (1) umfassend im Wesentlichen- wenigstens eine Pergola (einen Schattenspender) (9), die eine algenhaltige Flüssigkeit aufnimmt und Sonnenenergie durch Photosynthese absorbiert,- wenigstens einen Algenreaktor (3), der einen Einlass und einen Auslass zur Zugabe einer bestimmten Menge an Urin aufweist und dessen Einlass über ein Rohr (B1) mit der Pergola (9) verbunden ist,- mindestens eine Umwälzpumpe (2), die die Zirkulation der in der Pergola (9) vorliegenden algenhaltigen Flüssigkeit und des im Algenreaktor (3) vorliegenden Urins zwischen der Pergola (9) und dem Algenreaktor (3) über Rohre (B1, B2) ermöglicht,- mindestens eine Ultrafiltrationseinheit (5) zur Trennung von Algen und Urin, die über ein Rohr (B3) mit dem Auslass des Algenreaktors (3) verbunden ist,- mindestens eine Flüssigkeitspumpe (4), die es ermöglicht, die Algen und den Urin vom Auslass des Algenreaktors (3) zur Ultrafiltrationseinheit (5) zu fördern,- mindestens einen Methanreaktor (6), der über ein Rohr (B4) mit der Ultrafiltrationseinheit (5) verbunden ist und der die aus dieser Einheit stammenden Algen biologisch zersetzt und Methan erzeugt,- mindestens einen Biogasbeutel (8) zum Speichern des aus dem Methanreaktor (6) zugeführten Gases,- mindestens eine Gaspumpe (7), die es ermöglicht, das im Methanreaktor (6) erzeugte Gas in den Biogasbeutel (8) zu fördern.

Description

Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Algenproduktion unter Verwendung menschlicher Stoffwechselabfälle und zur Energiegewinnung aus der Algenproduktion.
Hintergrund der Erfindung
70% der Sauerstoffproduktion in der Erde geht auf Algen zurück. Darüber hinaus haben diese aufgrund ihres Gehalts an reichhaltigen Proteinen, Öl und Kohlehydraten einen hohen Stellenwert auf dem Markt als wichtiger Arzneimittelrohstoff und wichtiges Biomasseprodukt. Die kontrollierte und effiziente Produktion dieser Biomasse, die einen bothekologischen und wirtschaftlichen Wert hat, ist von erheblicher Bedeutung. Die Kombination von Konzepten der Abfallreduzierung und der Herstellung hochwertiger Produkte ist für ein nachhaltiges Leben sehr wichtig.
Die wichtigen Substanzen im Urin, der ein menschliches Stoffwechselprodukt ist, sind Stickstoff und Phosphor. Stickstoff und Phosphor sind die wichtigsten Substanzen, die für das Algenwachstum benötigt werden.
Nach dem Stand der Technik werden Verfahren wie biologische Abfallbehandlung, chemische Fällung, Gasstripping und Ionenaustausch zur Behandlung von Stoffwechselabfällen eingesetzt. Die Anwendung dieser Verfahren ist mit hohen Kosten verbunden. Da Stoffwechselabfälle mit den anderen Haushaltsabfällen (Küche, Bad usw.) vermischt werden, ist die Behandlung und Verwertung schwierig. Darüber hinaus ist die Verwendung von Toiletten, die es ermöglichen, Stoffwechselabfälle getrennt zu sammeln, nicht üblich. Bei der Verwendung von urintrennenden Toiletten wird der gesammelte Urin aufbewahrt und als Dünger verwendet.
In einer weiteren Anwendung nach dem Stand der Technik werden Beschattungsverfahren (Pergola) zur Algenproduktion außerhalb von Gebäuden eingesetzt. Solide Oberflächen/Objekte werden bevorzugt als Beschattungsstrukturen (Pergolen) eingesetzt. Die Sonnenenergie verformt jedoch die Oberflächen der als Pergolen verwendeten Strukturen und reduziert mit der Zeit auch ihre Tragfähigkeit. Das Verfahren erfordert daher eine regelmäßige Wartung. Darüber hinaus werden für das Algenwachstum synthetische Chemikalien verwendet, was die Kosten erhöht.
Das US-Patentdokument US 2013/0183705 A1 , eine der modernsten Anmeldungen, offenbart ein System zur Herstellung von Biokraftstoff aus Algen. Mit Hilfe eines Algenkultiviers und eines anaeroben Fermentierers werden die Algen erhalten und Methan produziert. Das System beinhaltet auch die Produktion von Methan durch thermische Algenproduktion und anaerobe Verdauung. Es ist ein Regler im System vorgesehen und es wird Biogas nach verschiedenen Heizwerten gewonnen. Die Algenproduktion erfolgt aus festen Abfällen und die Methan/Biogasproduktion ist verwirklicht.
Das US-Patentdokument US 2010/0077654 A1 , eine der modernsten Anwendungen, offenbart ein System zur Herstellung von Biokraftstoff aus Algen. Es wird unter Berücksichtigung von Stickstoff-, Phosphor- und Sauerstoffwerten geregelt. Die Algen wachsen durch Stoffwechselabfälle von Fischen. Die entwässerten Algen werden an eine Biokraftstoffaufbereitungsanlage geliefert. Die konzentrierten Algen können als fester Brennstoff oder flüssiger Brennstoff verwendet werden oder sie können sofort als Biokraftstoff verwendet und gelagert werden.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2016 109 483 A1 behandelt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwasserreinigung mittels photosynthetisch aktiver Algen umfassend einem ersten und einem zweiten Photobioreaktor, wobei die Ausbildung einer photosynthetisch aktiven Algenmischpopulation mit hohen beziehungsweise niedrigen Stickstoff- und Phosphatgehalten gesteuert wird.
Das US-Patentdokument US 9 272 929 B1 offenbart ein System und eine Methode zur Trennung menschlicher Ausscheidungen und zur Umwandlung von Urin in Trinkwasser sowie zur Verwendung in einer Handwaschstation, wobei der Urin mithilfe von Sonnenlicht in Kombination mit dem Wassergehalt und den im Urin vorhandenen Nährstoffen aufbereitet wird, um Algen zu züchten, die wiederum das Wasser zum Trinken und Händewaschen geeignet machen.
Die Schrift Tuantet, Kanjana et al.: „Microalgae Growth on Concentrated Human Urine.", Journal of Applied Phycology, Vol. 26, 2014, No. 1, S. 287 - 297. - ISSN 0921-8971 offenbart eine Studie zur Zucht von Mikroalgen auf unverdünntem menschlichem Urin, wobei die wesentlichen Wachstumsanforderungen der Algenart Chlorella Sorokiniana für verschiedene Arten menschlichen Urins ermittelt wurden.
Prajapati, Sanjeev Kumar et al.: „Phycoremediation Coupled Production of Algal Biomass, Harvesting and Anaerobic Digestion: Possibilities and Challenges.", Biotechnology Advances, Vol. 31, 2013, No. 8, S. 1408 - 1425. - ISSN 0734-9750 behandelt die Nutzung von Abwasser als Nährstoff und Abgasen als CO₂-Quelle für die Produktion von Algenbiomasse und die anschließende Biogaserzeugung.
Die Zucht von Mikroalgen bei natürlichem Licht unter Verwendung von nährstoffreichem Abwasser zur Produktion von mehr Bioenergie wird in Sahu, Ashish K. et al.: „Utilisation of Wastewater Nutrients for Microalgae Growth for Anaerobic Co-Digestion“, Journal of Environmental Management, Vol. 122, 2013, S.113 - 120. - ISSN 1095 -8630 untersucht.
Durch die Erfindung gelöste Probleme
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch die Verwendung von menschlichen Stoffwechselabfällen die Kosten zu senken, indem die Belastung an von den Gemeinden zu behandelnden kommunale Abwässern gesenkt wird, Algen durch die Verwendung von Stickstoff und Phosphor im Pergolasystem produziert werden und Biogas aus Algen erzeugt und in Wärme- und Lichtenergie umgewandelt wird, wodurch die Energiekosten gesenkt werden, und die Produktionskosten der Algen durch die Bereitstellung der für die Algen erforderlichen Nährstoffe aus menschlichen Stoffwechselabfällen zu senken.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das System zur Algenproduktion aus menschlichen Stoffwechselabfällen und zur Energieerzeugung, das zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, ist in der nebenstehenden Abbildung dargestellt, in der:

1 eine Ansicht des Systems zur Algenproduktion aus menschlichen Stoffwechselabfällen und zur Energieproduktion zeigt.

Die Bauteile in den Figuren erhalten die folgenden Bezugszeichen:

1: System zur Algenproduktion aus menschlichen Stoffwechselabfällen und zur Energieerzeugung
2: Umwälzpumpe
3: Algenreaktor
4: Flüssigkeitspumpe
5: Ultrafiltrationseinheit
6: Methanreaktor
7: Gaspumpe
8: Biogasbeutel
9: Pergola (Schatten)
B1: Rohr
B2: Rohr
B3: Rohr
B4: Rohr

Das System zur Algenproduktion aus menschlichen Stoffwechselabfällen und Energieerzeugung (1) umfasst im Wesentlichen die folgenden Bauteile

- wenigstens eine Pergola (einen Schattenspender) (9), die eine algenhaltige Flüssigkeit aufnimmt und Sonnenenergie durch Photosynthese absorbiert,
- wenigstens einen Algenreaktor (3), der einen Einlass und einen Auslass zur Zugabe einer bestimmten Menge an Urin aufweist und dessen Einlass über ein Rohr (B1) mit der Pergola (9) verbunden ist,
- mindestens eine Umwälzpumpe (2), die die Zirkulation der in der Pergola (9) vorliegenden algenhaltigen Flüssigkeit und des im Algenreaktor (3) vorliegenden Urins zwischen der Pergola (9) und dem Algenreaktor (3) über Rohre (B1, B2) ermöglicht,
- mindestens eine Ultrafiltrationseinheit (5) zur Trennung von Algen und Urin, die über ein Rohr (B3) mit dem Auslass des Algenreaktors (3) verbunden ist,
- mindestens eine Flüssigkeitspumpe (4), die es ermöglicht, die Algen und den Urin vom Auslass des Algenreaktors (3) zur Ultrafiltrationseinheit (5) zu fördern,
- mindestens einen Methanreaktor (6), der über ein Rohr (B4) mit der Ultrafiltrationseinheit (5) verbunden ist und der die aus dieser Einheit stammenden Algen biologisch zersetzt und Methan erzeugt,
- mindestens einen Biogasbeutel (8) zum Speichern des aus dem Methanreaktor (6) zugeführten Gases,
- mindestens eine Gaspumpe (7), die es ermöglicht, das im Methanreaktor (6) erzeugte Gas in den Biogasbeutel (8) zu fördern.

In dem System (1) zur Algenproduktion aus menschlichen Stoffwechselabfällen und zur Energieproduktion ermöglicht die Pergola (1) (der Schattenspender) die Absorption der Sonnenenergie für das Wachstum und die Produktion von Algen durch Photosynthesereaktion. Die Algen vermehren sich, da die Photonen in der Sonnenenergie für die Photosynthese absorbiert werden.
Die Pergola (9) dient im Sommer als Sonnenschutz und wird aufgrund ihrer Wasserdichtigkeit als Regenschutz bei Regenwetter eingesetzt.
Für das Wachstum der Algen werden Stickstoff und Phosphor benötigt. Urin wird zur Deckung des Stickstoff- und Phosphorbedarfs verwendet, und durch die getrennte Sammlung des Urins durch die entsprechenden urintrennende Toiletten kann eine Algenmasse gezüchtet werden. Eine bestimmte Menge des gesammelten Urins wird einem Algenreaktor (3) zugegeben. Der Algenreaktor (3) ist mit der Pergola (9) durch Rohre (B1, B2) verbunden, die einen Einlass und einen Auslass zur/von der Pergola aufweisen.
Die Zirkulation der in der Pergola (9) enthaltenen Algen in flüssiger Form und des im Algenreaktor (3) enthaltenen Urins wird durch die Umwälzpumpe (2) ermöglicht. Die Umwälzpumpe (2) befindet sich zwischen der Pergola (9) und dem Algenreaktor (3) an den Rohren (B1, B2). Die Algen nehmen an einer biologischen Reaktion teil, indem sie die im Urin enthaltenen Nährstoffe nutzen. Der von der Umwälzpumpe (2) geförderte Urin reagiert mit den Algen, die der auf die Pergola (9) treffende Sonnenenergie ausgesetzt sind, und kehrt durch den von der Umwälzpumpe (2) ausgeübten Druck in den Algenreaktor (3) zurück.
Eine Ultrafiltrationseinheit (5) dient zur Trennung der aus dem Algenreaktor (3) kommenden Algen- und Urinkonzentrationen. Die Ultrafiltrationseinheit (5) ist über ein Rohr (B3) mit dem Auslass des Algenreaktors (3) verbunden. Auf diese Weise wird die Mischung aus Algen und Urin als Algen und Urin getrennt.
Die Flüssigkeitspumpe (4) ermöglicht es, die Algen und den Urin aus dem Auslass des Algenreaktors (3) zur Ultrafiltrationseinheit (5) zu fördern. Die Flüssigkeitspumpe (4) befindet sich am Auslass des Algenreaktors (3).
Der Methanreaktor (6) ermöglicht die Gewinnung von Methan durch Zersetzung der Algen, die durch die Ultrafiltrationseinheit (5) abgetrennt wurden, durch biologische Reaktion. Methan ist eines der Stoffwechselprodukte, die durch den biologischen Abbau der organischen Algen durch anaerobe Mikroorganismen entstehen. Die besagten biologischen Reaktionen sind als aufeinanderfolgende Reaktionen bekannt, einschließlich Algenhydrolyse, Versauerung, Acetatproduktion und anschließender Methanproduktion. Der im System vorgesehene Methanreaktor (6) ist über ein Rohr (B4) mit der Ultrafiltrationseinheit (5) verbunden. Ein Biogasbeutel (8) ermöglicht die Speicherung des aus dem Methanreaktor (6) zugeführten Gases. Die Gaspumpe (7) ermöglicht es, das im Methanreaktor (6) erzeugte Gas in den Biogasbeutel (8) zu fördern. Das Gas kann im Biogasbeutel mit dem erzeugten Druck gespeichert werden.
Auf diese Weise kann aus den Algen Biogas gewonnen, für Heizungs- und Beleuchtungszwecke genutzt werden und es können die Energiekosten gesenkt werden. Darüber hinaus wird der in den menschlichen Stoffwechselabfällen enthaltene Stickstoff und Phosphor zur Vermehrung der Algen genutzt und somit recycelt.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden ein Aufbewahrungsbehälter zum Sammeln der in der Ultrafiltrationseinheit (5) abgetrennten Flüssigkeit verwendet und die abgetrennte Flüssigkeit zum Recycling gesammelt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Ultrafiltrationseinheit (5) mit einer Oberfläche verwendet, die kleine Perforationen aufweist.

Claims

System zur Algenproduktion aus menschlichen Stoffwechselabfällen und Energieerzeugung (1) umfassend im Wesentlichen - wenigstens eine Pergola (einen Schattenspender) (9), die eine algenhaltige Flüssigkeit aufnimmt und Sonnenenergie durch Photosynthese absorbiert, - wenigstens einen Algenreaktor (3), der einen Einlass und einen Auslass zur Zugabe einer bestimmten Menge an Urin aufweist und dessen Einlass über ein Rohr (B1) mit der Pergola (9) verbunden ist, - mindestens eine Umwälzpumpe (2), die die Zirkulation der in der Pergola (9) vorliegenden algenhaltigen Flüssigkeit und des im Algenreaktor (3) vorliegenden Urins zwischen der Pergola (9) und dem Algenreaktor (3) über Rohre (B1, B2) ermöglicht, - mindestens eine Ultrafiltrationseinheit (5) zur Trennung von Algen und Urin, die über ein Rohr (B3) mit dem Auslass des Algenreaktors (3) verbunden ist, - mindestens eine Flüssigkeitspumpe (4), die es ermöglicht, die Algen und den Urin vom Auslass des Algenreaktors (3) zur Ultrafiltrationseinheit (5) zu fördern, - mindestens einen Methanreaktor (6), der über ein Rohr (B4) mit der Ultrafiltrationseinheit (5) verbunden ist und der die aus dieser Einheit stammenden Algen biologisch zersetzt und Methan erzeugt, - mindestens einen Biogasbeutel (8) zum Speichern des aus dem Methanreaktor (6) zugeführten Gases, - mindestens eine Gaspumpe (7), die es ermöglicht, das im Methanreaktor (6) erzeugte Gas in den Biogasbeutel (8) zu fördern.
System (1) gemäß Anspruch 1 umfassend einen Aufbewahrungsbehälter, der ein Sammeln von in der Ultrafiltrationseinheit (5) abgetrennter Flüssigkeit ermöglicht.
System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche umfassend eine Ultrafiltrationseinheit (5) mit einer perforierten Oberfläche.